非稳定渗流作用下边坡稳定性试验研究
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单位: cm 图 4 瞬时实测渗透坡降值 分布 F ig. 4 D istr ibution ofm easured transient seepage grad ient
图 5表明, 无论 是出渗处, 还是边坡 内 部 点 ( - 75, 20 ) 处, 渗透坡降在水位 降落过程中, 不是单 调减小的, 急降过程 中存在极高值。 3. 2 水位降落时边
坡失稳过程 水位 骤 然下 降 时, 坡体中地下水位
图 5 渗透坡降在非稳定渗流 过程中的变化
F ig. 5 The change of seepage grad ient in unsteady seepage
下降相对滞后于坡外水位, 边坡内部存在高于边坡 附近的孔隙水压力, 坡体内产生向坡面方向的渗流, 易导致滑坡。试验中观察到水位降落过程中上游边 坡发生破坏, 且砂土与黏土的失稳形态并不相同。 3. 2. 1 砂性土失稳破坏形态
力的方法验算边坡的稳定性, 安全系数为 1. 648, 而应
用条分法计算值为 1. 203。但在模型土坝的水位降落
时期, 两种方法计算结果则相反, 条分法计算值大于
渗透力计算结果, 则偏于危险。可见验算边坡稳定性
时是否考虑渗流方向对结果的影响很大。向下的渗
流对边坡稳定性有利, 而向边坡外侧的渗流则不利于
力或渗透坡降达到最大的时刻。不考虑渗 流方向的计算结果不能正确反映边坡的稳 定性, 建 议边坡稳 定分析须正
确考虑渗流作用。
关 键 词: 水位降落; 非稳定渗 流; 边坡稳定试验; 渗透力; 渗流方向; 安全系数
中图分类号: TV223. 6; TU432
文献标识码: A
1概 述
水库或江河水位降落过快过深, 导致上游边坡 失稳发生滑坡, 在我国水库大坝运行和堤防管理中 有着深刻教训。近年来, 水位降落过程中上游边坡 失稳的现象时有发生, 因此, 中小型水库除险加固工 程研究得到深入开展。
定渗流, 其安全系 数减小幅值较 大, 且骤降 速度越
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
快, 水位降深越大, 安全系数越小。而缓降时, 安全
系数虽有所降低, 但降低的幅度较小, 最大降幅不足
10% , 同时渗流方向依旧保持从上游往下游的方向,
不致引起边坡失稳。
图 7 黏土边坡裂缝贯穿边坡模型俯视 图 F ig. 7 Vertica l view of cracks in clay slope caused
粘性土体在水位降落过程中的破坏以整体滑坡 为主。整体稳定破坏即一般而言的滑坡破坏, 是整 个斜坡或斜坡的一部分沿滑动面发生滑动破坏, 也 就是一般意义上的 / 滑坡 0。水位降落形成的非稳 定渗流作用下的土坡, 由于边坡内渗流场造成整个 土体的滑坡 [ 4] 。
水位下降时上游边坡附近的等势线形状接近平 行于边坡, 坡面存在出渗现象, 渗流方向指向上游坡 面, 水流从坡面出渗。如图 7所示, 上游坡面平水位 上部发现一条张开的裂缝, 裂缝的最大宽度为 6 mm, 水平长度约 25 cm, 几乎贯穿了模型中边坡的 表面宽度。
3. 3 水位降落对边坡稳定性影响
水位降落期影响上游边坡稳定的两个直接原因
是: 边坡由内向外的渗流方向和坡面附近渗透坡降值
过高。
渗流方向对分析边坡稳定的影响较大。段祥宝
等人曾研究过山美水库心墙下游风化料坝壳内浸润
线过高的现象。通过实测资料的渗流反演分析, 等势
线分布基本水平, 渗流方向向下, 结合渗流场用渗透
图 4是黏土边坡瞬时坡降分布, 边坡上游侧渗 透坡降值很 高, 上 游水面 以上 的部 位坡 降值高 达 4. 6, 随着坡内外水位的落差进一步增加, 坡降值 J 也是逐步增大。水位快降, 在降落总时间 T 的大约 6 /10~ 7 /10时, 出渗坡降达到峰值。出渗处渗透坡 降在此过程中远大于细砂允许比降。对缺少反滤措 施的上游边坡而言, 易发生破坏。
边坡稳定。
水位降落过程非稳定渗流作用下的边坡, 渗透
坡降较高, 渗流方向指向边坡外侧。渗流作用产生
渗透力可由下式计算:
f = CJ ,
( 2)
式中: f 为渗透力; C为容重; J 为渗透坡降。
渗透力的方向与渗流方向一致, 指向上游边坡。
水位降落过程中, 上游侧渗透坡降值增加, 导致渗透
力同步增大, 渗透力的增加势必会影响土体边坡的
第 2 6卷 第 1 0期 2 0 0 9年 1 0 月
长江科学院院报 J ou rna l of Yang tze R iver Scien t ific R esea rch In st itu t e
文章编号: 1001- 5485( 2009) 10- 0031- 04
Vo.l 26 No. 10 O ct . 2 0 0 9
1. 5 0. 014 7. 842 2. 0 0. 005 63. 258 1. 0 0. 003 1. 509
2. 0 0. 002 72. 668 2. 0 0. 033 9. 498 1. 0 0. 006 0. 730
2. 0 0. 063 1. 744 2. 0 0. 100 3. 163 1. 0 0. 036 0. 125
非稳定渗流作用下边坡稳定性试验研究
谢罗峰1, 2, 段祥宝 1, 2
( 1. 南京 水利科学研究院, 南京 210029; 2. 水文水资源及水利工程科学国家重点试验室, 南京 210029)
摘要: 水位下降时产生的非稳定渗流不利于堤坝边坡 稳定, 是一 个与水 力学和土 力学有 关的复 杂问题。开 展了非
本文开展了不同土质及坡比的砂槽模型试验, 模 拟水位降落过程中多种工况下非稳定渗流场和边坡 失稳变化过程, 探讨了渗透力在非稳定渗流过程中对 边坡的作用规律, 并结合非稳定渗流场分析坝坡稳定 性, 找出危险工况的水力条件, 以便正确预防滑坡。
2 模型试验
模型水槽的尺寸为 5 m @0. 3 m @0. 8 m, 如图 1
图 3 水位降落过程中内部水头值变化 F ig. 3 Var ia tion of piezome tr ic head during
the wate r level drawdown
由退水指标 k /Lv的分析结果 [ 5 ] 可知: 渗透性和 给水度小的土质边坡内渗流场的孔隙水压力消散速 度远远小于渗透性较大的砂砾边坡, 最易形成具有 凸形分水岭的自由面; 降速快的非稳定渗流上游边 坡的孔隙水压力难以消散, 上游边坡中的渗透坡降 随着水位的降落逐渐增 大, 且降 速越大, 坡 降也越 大; k / Lv越小, 水头越难以消散, 增大边坡内外的水 头差, 形成向上游坡面方向的渗流。
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长江 科学院 院报
200 9 年
表 2 不同降速的试验组次 Table 2 Test conditions w ith d ifferent setting velocities
细砂 1
粉砂 2
m v k /Lv m v k /Lv m
黏土 3
v
k /Lv
1. 5 0. 007 16. 269 1. 5 0. 016 20. 018 1. 0 6. 0 @10- 5 75. 442 1. 5 0. 033 3. 354 1. 5 5. 000 0. 063 1. 0 0. 000 5 9. 053
2. 0 1. 500 0. 073 2. 0 0. 200 1. 581 1. 0 0. 200 0. 023
3 水位降落期堤坝稳定分析 [ 4]
3. 1 边坡渗流场变化过程 图 2是细砂材料坝水位降落时一组自由面变化
情况。水位 降速 v = 0. 033 8 cm / s, k = 1. 7 @10- 2 cm / s, L= 0. 156, m = 1. 5, k /Lv= 0. 017, 结合自由面 和分水岭最高点的情况, 本组试验结果属于急降情 况。
图 6 砂土边坡破坏形状俯视图 F ig. 6 Ve rtica l view for fa ilure form in sand slope
非稳定渗流期与高水位稳定渗流期下游边坡破 坏形式不同, 没有继续发展成大规模的滑动。结合 试验中的孔隙水压力值和渗透坡降分布可知, 砂土 边坡失稳后, 扩大了孔隙水压力的消散面积, 同时无 粘性土的孔隙水压力消散较快, 较高的渗透坡降值 和孔隙水压力不会持续很久, 因此没有继续向边坡 内部大规模发展, 破坏位置集中在失稳位置与边坡 坡脚之间的部位。 3. 2. 2 黏性土体整体稳定破坏
1. 88 1. 50
1. 83 1. 49
孔隙 率n
渗透系 数 k/ ( cm# s- 1 )
0. 410 1. 7 @10- 3 0. 420 3. 1 @10- 3 0. 468 5. 0 @10- 5
凝聚力 c / kP a
0. 0 2. 0 16. 0
摩擦角 U /( b)
35. 0 37. 0 18. 5
水位降落过程中, 上游边坡孔隙水压力变化幅度 明显, 下游边坡变化较小。图 3为上游水位急降过程 中边坡内部各部位测压管水头测值。
单位: cm 图 2 砂土边坡中急降非稳定渗流瞬时自由面 F ig. 2 Transient phreatic line of quick setting in sandy slope
整体抗滑稳定性。指向上游边坡的渗流力成为不利
于边坡稳定的滑动力, 促进边坡土体往上游方向滑
动。渗透力在 水位降落过程 中是逐步增加 的。另
外, 水位降落过程中, 边坡前缘原本为抗滑力的静水
压力消失, 此消彼长, 必然不利于边坡的稳定。
比较了不同水位降落退水指标值 k /Lv对边坡
安全系数的影响。图 8结果表明, 水位骤降的非稳
稳定渗流作用下的边坡稳定模型 试验, 研究了不同土力学条件和水力学条件下, 渗流 对边坡稳定 性的影响, 探讨了
